Duplex stainless steel adalah stainless steel yang struktur mikronya terdiri dari dua fasa, austenit dan ferit, dalam jumlah yang kira-kira sama. Gabungan ini membuat duplex sekitar dua kali lebih kuat daripada stainless austenitik seperti 304 dan 316, dan jauh lebih tahan terhadap retak korosi tegangan akibat klorida. Kelas yang paling banyak dipakai adalah duplex 2205, sedangkan untuk lingkungan yang lebih berat dipakai super duplex 2507.
Artikel ini menjelaskan apa itu duplex stainless steel, komposisi dan peran unsurnya, keluarga kelasnya (lean, standar, super, dan hyper duplex), sifat mekanis dan ketahanan korosinya, perbandingannya dengan 316, cara mengelasnya, bahaya fasa sigma, standar produk, aplikasi, dan cara memilih kelas yang tepat. Gambaran umum semua jenis stainless steel ada di artikel induk stainless steel.
Apa Itu Duplex Stainless Steel?
Stainless steel dikelompokkan menurut struktur kristalnya. Stainless austenitik (304, 316) berstruktur kubus pusat muka, ulet, dan tidak magnetis. Stainless feritik (430) berstruktur kubus pusat badan, magnetis, dan lebih tahan retak korosi tegangan, tetapi kurang ulet dan sulit dilas tebal. Duplex menggabungkan keduanya: butir-butir austenit tersebar di dalam matriks ferit, dengan perbandingan sekitar 50:50.
Kata duplex berarti “rangkap dua”, merujuk pada dua fasa tersebut. Dalam bahasa Indonesia kadang disebut baja tahan karat dupleks, tetapi di industri istilah Inggrisnya jauh lebih umum, begitu juga sebutan kelas seperti “duplex 2205” atau “SS 2205”.
Struktur dua fasa ini memberi duplex kekuatan ferit dan ketahanan SCC ferit, sekaligus keuletan dan kemudahan las austenit. Stainless duplex tempa pertama kali diproduksi di Swedia pada 1930 untuk industri kertas sulfit. Kelas modern bernitrogen seperti 2205 baru berkembang luas sejak 1970-an dan 1980-an, setelah teknologi peleburan memungkinkan kadar nitrogen dan karbon dikendalikan dengan tepat.
Apakah duplex magnetis?
Ya. Karena sekitar separuh strukturnya ferit, duplex tertarik magnet dengan jelas, berbeda dengan 304 dan 316. Ini sering membuat pembeli mengira barangnya “bukan stainless asli”. Sifat magnet ini justru dipakai untuk memeriksa kadar ferit dengan alat ukur ferit (ferritscope).
Komposisi dan Peran Unsurnya
Dibandingkan 316, duplex memakai krom lebih tinggi, nikel jauh lebih rendah, dan nitrogen jauh lebih tinggi. Keseimbangan unsur pembentuk ferit dan pembentuk austenit inilah yang menghasilkan struktur setengah-setengah.
| Unsur | Kadar khas pada 2205 | Peran |
|---|---|---|
| Krom (Cr) | 21–23% | Membentuk lapisan pasif; pembentuk ferit |
| Nikel (Ni) | 4,5–6,5% | Pembentuk austenit; dijaga cukup rendah agar ferit tetap sekitar separuh |
| Molibdenum (Mo) | 2,5–3,5% | Menaikkan ketahanan sumuran dan celah; pembentuk ferit |
| Nitrogen (N) | 0,10–0,22% | Pembentuk austenit yang kuat, menaikkan kekuatan dan ketahanan sumuran |
| Karbon (C) | maksimal 0,03% | Dijaga sangat rendah agar tidak terbentuk karbida |
Karena nikelnya rendah, harga duplex lebih stabil daripada 316 saat harga nikel naik. Ketahanan terhadap korosi sumuran diperkirakan dengan PREN = %Cr + 3,3 × %Mo + 16 × %N. Rumus ini dijelaskan di artikel perbedaan stainless 304 dan 316.
Keluarga Duplex: Lean, 2205, Super, dan Hyper Duplex
Duplex dibagi menjadi beberapa kelompok menurut kadar paduan dan PREN-nya. Komposisi di tabel ini mengikuti EN 10088 dalam persen berat.
| Kelompok | Kelas | EN / UNS | Cr (%) | Ni (%) | Mo (%) | N (%) | PREN khas |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Lean duplex | 2101 | 1.4162 / S32101 | 21,0–22,0 | 1,35–1,90 | 0,10–0,80 | 0,20–0,25 | 22–27 (kelompok) |
| Lean duplex | 2304 | 1.4362 / S32304 | 22,0–24,5 | 3,5–5,5 | 0,10–0,60 | 0,05–0,20 | 25–28 |
| Duplex standar | 2205 | 1.4462 / S31803, S32205 | 21,0–23,0 | 4,5–6,5 | 2,5–3,5 | 0,10–0,22 | 35–36 |
| Super duplex | 2507 | 1.4410 / S32750 | 24,0–26,0 | 6,0–8,0 | 3,0–4,5 | 0,24–0,35 | 40–43 |
| Hyper duplex | 2707 | 1.4658 / S32707 | 26,0–29,0 | 5,5–9,5 | 4,0–5,0 | 0,30–0,50 | di atas 45 |
Nilai PREN khas 2304, 2205, dan 2507 mengikuti panduan fabrikasi duplex dari IMOA. Bila dihitung dari batas bawah dan atas komposisinya, kisarannya lebih lebar, misalnya 2205 sekitar 31–38.
- Lean duplex (2101, 2304) menggantikan 304 dan 316 di aplikasi struktural dan tangki, dengan kekuatan jauh lebih tinggi dan nikel lebih sedikit.
- Duplex 2205 adalah kelas serba guna dan paling banyak dipakai. Ada dua nomor UNS: S31803 (yang lebih lama) dan S32205 (versi dengan batas bawah krom, molibdenum, dan nitrogen yang lebih tinggi sehingga ketahanan korosinya lebih terjamin). Banyak pelat dan pipa sekarang bersertifikat ganda S31803/S32205.
- Super duplex 2507 (S32750) dan kelas sejenis seperti S32760 (dengan tembaga dan tungsten) dipakai untuk air laut dan lingkungan klorida berat. Super duplex didefinisikan dengan PREN minimal sekitar 40.
- Hyper duplex (2707) memiliki PREN di atas 45, untuk kondisi yang sangat agresif seperti penukar panas air laut bersuhu tinggi.
Nama dagang seperti SAF 2205 dan SAF 2507 (Sandvik, sekarang Alleima) sering dipakai sebagai nama umum. Di Jepang, 2205 dikenal sebagai SUS 329J3L.
Sifat Mekanis
Keunggulan duplex yang paling mencolok adalah kekuatannya. Kekuatan luluh minimum duplex sekitar dua sampai tiga kali stainless austenitik.
| Kelas | Kekuatan luluh minimum | Kekuatan tarik minimum | Perpanjangan minimum |
|---|---|---|---|
| 304L / 316L | 170 MPa | 485 MPa | 40% |
| 2304 (lean duplex) | 400 MPa | 600 MPa | 25% |
| 2205 | 450 MPa | 655 MPa | 25% |
| 2507 (super duplex) | 550 MPa | 795 MPa | 15% |
Nilai duplex mengikuti ASTM A240 untuk pelat; nilai 304L dan 316L adalah batas minimum ASTM A240 yang umum dipakai.
Kekuatan tinggi ini memungkinkan dinding pipa, tangki, dan bejana tekan dibuat lebih tipis, sehingga berat dan biaya bahan berkurang walaupun harga per kilogram duplex lebih tinggi daripada 304.
Sifat lain yang perlu diketahui:
- Pemuaian termal lebih rendah daripada austenitik. Koefisien muai 2205 sekitar 13 × 10⁻⁶/K (20–100 °C), mendekati baja karbon, sedangkan 304 sekitar 16,4 × 10⁻⁶/K. Ini memudahkan penyambungan dengan baja karbon.
- Batas suhu atas. Kode ASME membatasi pemakaian 2205 dan 2304 sampai sekitar 315 °C. Di atas itu, ferit mulai rapuh (lihat bagian fasa sigma).
- Batas suhu bawah. Duplex tetap tangguh sampai sekitar −40 °C, suhu yang dipakai untuk uji ketangguhan ASTM A923. Untuk suhu kriogenik, seperti tangki gas alam cair, stainless austenitik tetap pilihan.
Ketahanan Korosi Duplex Stainless Steel
Retak korosi tegangan klorida
Inilah alasan utama orang beralih dari 304 atau 316 ke duplex. Stainless austenitik rentan terhadap retak korosi tegangan (SCC) klorida bila ada klorida, tegangan tarik, dan suhu di atas sekitar 60 °C. Fasa ferit di dalam duplex menghambat perambatan retak, sehingga duplex jauh lebih tahan. Mekanisme SCC dan contoh kegagalannya dibahas di artikel stress corrosion cracking.
Duplex tidak kebal sepenuhnya. Pada suhu dan kadar klorida yang sangat tinggi, atau di lingkungan H₂S (minyak dan gas sour service), duplex tetap punya batas pemakaian dan harus dipilih sesuai standar seperti NACE MR0175/ISO 15156.
Korosi sumuran dan celah
Dengan PREN sekitar 35, ketahanan sumuran 2205 jauh di atas 316L (PREN sekitar 24–25). Super duplex dengan PREN di atas 40 cukup tahan untuk air laut pada suhu kamar. Ketahanan ini sering dinyatakan dengan suhu sumuran kritis (CPT), suhu di atas mana sumuran mulai terjadi dalam larutan uji standar; makin tinggi CPT, makin tahan. Suhu celah kritis (CCT) biasanya 15–20 °C lebih rendah daripada CPT. Penjelasan korosi sumuran ada di artikel korosi sumuran.
Korosi merata dan erosi
Duplex juga tahan terhadap banyak asam organik dan larutan kaustik, serta tahan erosi dan abrasi lebih baik daripada austenitik karena kekuatannya. Ini membuatnya cocok untuk pompa, impeler, dan pipa yang mengalirkan cairan berpartikel. Jenis-jenis korosi lainnya dirangkum di artikel jenis-jenis korosi pada logam.
Duplex vs 316: Mana yang Dipilih?
| Aspek | 316L | Duplex 2205 |
|---|---|---|
| Struktur | Austenit | Austenit + ferit (sekitar 50:50) |
| Kekuatan luluh minimum | 170 MPa | 450 MPa |
| PREN khas | 24–25 | 35–36 |
| Ketahanan SCC klorida | Rentan di atas sekitar 60 °C | Jauh lebih tahan |
| Magnetis | Tidak | Ya |
| Batas suhu pakai | Sampai suhu tinggi dan kriogenik | Sekitar −40 °C sampai 315 °C |
| Pengelasan | Mudah, toleran | Perlu prosedur ketat (keseimbangan ferit) |
| Pembentukan dingin | Mudah | Lebih berat karena kekuatan tinggi |
| Harga per kg | Lebih rendah | Lebih tinggi, tetapi dinding bisa lebih tipis |
Ringkasnya, pilih duplex bila ada klorida dengan suhu di atas sekitar 60 °C, bila beban atau tekanan tinggi membuat dinding 316 harus tebal, atau bila ada erosi. Tetap pilih 316L untuk suhu di atas sekitar 300 °C, untuk suhu kriogenik, untuk barang yang dibentuk dalam (deep drawing), dan bila tidak ada prosedur las yang terkendali. Perbandingan 304 dan 316 sendiri dibahas di artikel perbedaan stainless 304 dan 316.
Pengelasan Duplex Stainless Steel
Duplex bisa dilas dengan las busur biasa (SMAW, GTAW/TIG, GMAW/MIG, SAW), tetapi butuh kendali yang lebih ketat daripada 316. Tujuannya menjaga keseimbangan ferit-austenit di logam las dan daerah terpengaruh panas (HAZ), sekaligus mencegah terbentuknya fasa sigma.
Masalah utama
- Pendinginan terlalu cepat (masukan panas terlalu kecil, pelat tebal) membuat ferit terlalu banyak. Akibatnya ketangguhan turun, dan nitrida krom bisa terbentuk sehingga ketahanan korosi turun.
- Pendinginan terlalu lambat (masukan panas terlalu besar, suhu antar-lintasan terlalu tinggi) memberi waktu fasa sigma dan fasa intermetalik lain untuk terbentuk. Fasa ini rapuh dan menyerap krom serta molibdenum.
Pedoman umum
| Hal | Pedoman |
|---|---|
| Kawat dan elektroda untuk 2205 | ER2209 / E2209, berlebih nikel sekitar 1,5–3% dibanding logam induk agar logam las cukup austenit |
| Kawat untuk super duplex 2507 | ER2594 / E2594 |
| Menyambung duplex dengan baja karbon | ER309L atau ER309LMo (juga bisa 2209) |
| Pemanasan awal | Tidak diperlukan; pemanasan ringan hanya untuk menghilangkan embun |
| Suhu antar-lintasan maksimum | Sekitar 150 °C untuk lean duplex dan 2205; sekitar 100 °C untuk super duplex |
| Masukan panas | Sedang, umumnya sekitar 0,5–2,5 kJ/mm untuk 2205; lebih sempit untuk super duplex |
| Gas pelindung dan gas pelapis akar | Argon dengan sedikit nitrogen membantu pembentukan austenit; gas akar nitrogen atau argon |
| Kadar ferit logam las | Umumnya diterima 25–75% (sekitar 30–90 FN) bila uji ketangguhan dan korosi lulus |
| Perlakuan panas setelah las | Umumnya tidak diperlukan; kalau perlu, anil larutan penuh, bukan pelepasan tegangan |
| Pembersihan | Bersihkan warna bekas las dengan pickling atau pasivasi |
Jangan melakukan pelepasan tegangan (stress relief) pada duplex di kisaran sekitar 300–1.000 °C. Kisaran ini justru memicu rapuh 475 °C dan fasa sigma. Kalau perlakuan panas memang dibutuhkan, lakukan anil larutan di atas suhu minimumnya lalu celup air.
Pengujian kadar ferit dengan ferritscope bisa dipakai sebagai pemeriksaan cepat, tetapi tidak menggantikan pemeriksaan metalografi dan uji ASTM A923 untuk pekerjaan penting. Metode uji tak rusak untuk lasan dibahas di artikel metode uji tanpa rusak (NDT).
Fasa Sigma dan Rapuh 475 °C
Duplex punya dua “zona bahaya” suhu yang harus dihindari saat fabrikasi dan pemakaian.
- Rapuh 475 °C (alfa prima). Pada sekitar 300–525 °C, ferit membentuk endapan halus kaya krom yang disebut alfa prima. Ketangguhan turun walaupun kekuatan naik. Proses ini lambat, jadi jarang terjadi saat fabrikasi, tetapi menjadi alasan batas suhu pakai sekitar 315 °C.
- Fasa sigma. Pada sekitar 700–950 °C untuk 2205, dan sekitar 700–1.000 °C untuk 2507, terbentuk fasa intermetalik sigma yang keras, rapuh, dan kaya krom dan molibdenum. Fasa ini bisa terbentuk dalam hitungan menit pada super duplex, misalnya akibat pendinginan lambat setelah anil, pengelasan dengan masukan panas berlebih, atau pemotongan dengan panas yang lama.
Karena fasa sigma tidak magnetis, pembacaan ferit yang terlalu rendah bisa menjadi tanda adanya fasa ini. ASTM A923 dipakai untuk mendeteksi fasa intermetalik merugikan pada 2205 dan 2507, dengan tiga metode: A (pemeriksaan metalografi untuk penerimaan), B (uji impak Charpy pada −40 °C, batas penerimaan minimum 54 J), dan C (uji korosi dalam larutan feri klorida). Untuk lean duplex dipakai ASTM A1084.
Anil larutan yang benar (2205 minimal sekitar 1.040 °C, 2507 sekitar 1.025–1.125 °C) diikuti celup air melarutkan kembali fasa-fasa tersebut. Prinsip anil dibahas di artikel proses annealing.
Standar dan Bentuk Produk
| Bentuk produk | Standar ASTM yang umum | Catatan |
|---|---|---|
| Pelat, lembaran, strip | ASTM A240 | S32101, S32304, S31803/S32205, S32750, S32760 |
| Pipa dan tabung | ASTM A790 (pipa), A789 (tabung), A928 (pipa las) | Banyak dipakai di industri minyak dan gas, kimia, dan desalinasi |
| Batang dan profil | ASTM A276, A479 | Poros pompa, baut, komponen mesin |
| Tempaan, flens, fitting | ASTM A182 (F51 = S31803, F60 = S32205, F53 = S32750, F55 = S32760), A815 | Flens dan fitting pipa |
| Coran | ASTM A890 dan A995 (misalnya CD4MCuN, CD3MN, CE3MN) | Badan pompa, katup, impeler |
| Logam las | AWS A5.9 (ER2209, ER2594), A5.4 (E2209, E2594) | Kawat dan elektroda |
Di Eropa, standar utamanya EN 10088 dengan nomor bahan seperti 1.4462 (2205) dan 1.4410 (2507). Untuk komponen duplex cor, prinsip pengecoran dan perlakuan panasnya sama dengan baja cor lain, yang dibahas di artikel baja cor.
Aplikasi Duplex Stainless Steel
- Minyak dan gas: pipa alir (flowline), manifold, riser, bejana pemisah, pompa, dan katup di anjungan lepas pantai.
- Desalinasi dan air laut: pipa, bejana evaporator, dan penukar panas.
- Industri kimia dan pupuk: bejana tekan, tangki, dan penukar panas yang terkena klorida atau asam.
- Kapal tanker kimia: dinding tangki muatan, salah satu pemakaian duplex terbesar sejak lama.
- Pulp dan kertas: digester dan bejana pemutihan, tempat duplex pertama kali dipakai.
- Konstruksi dan infrastruktur: jembatan, terowongan, dan tulangan beton di daerah pantai, terutama lean duplex.
- Transportasi: tangki truk dan rangka kendaraan rel.
Cara Memilih Kelas Duplex
| Kebutuhan | Pilihan yang umum |
|---|---|
| Pengganti 304/316 untuk struktur, tangki, dan bejana dengan kekuatan lebih tinggi | Lean duplex 2101 atau 2304 |
| Lingkungan klorida dengan risiko SCC, suhu sampai sekitar 300 °C | Duplex 2205 |
| Air laut, klorida pekat, atau suhu dan tekanan tinggi | Super duplex 2507 atau S32760 |
| Penukar panas air laut bersuhu tinggi, lingkungan sangat agresif | Hyper duplex atau paduan nikel |
| Suhu di atas sekitar 300 °C atau kriogenik | Bukan duplex; pilih stainless austenitik yang sesuai |
| Komponen cor (pompa, katup) | Duplex cor seperti CD3MN (setara 2205) atau CE3MN (setara 2507) |
Kesalahan Umum
- Mengira duplex palsu karena tertarik magnet. Duplex memang magnetis karena kandungan feritnya.
- Mengelas duplex seperti 316. Masukan panas dan suhu antar-lintasan yang tidak terkendali menghasilkan ferit berlebih atau fasa sigma.
- Memakai kawat 2205 sendiri untuk mengelas 2205. Gunakan 2209 yang berlebih nikel agar logam las cukup austenit.
- Melakukan pelepasan tegangan pada suhu menengah. Kisaran sekitar 300–1.000 °C memicu fasa rapuh; yang benar adalah anil larutan penuh atau tanpa perlakuan panas sama sekali.
- Memakai duplex di atas sekitar 315 °C. Ketangguhan turun karena rapuh 475 °C.
- Mengabaikan pembersihan warna bekas las. Lapisan oksida bekas las mengurangi ketahanan korosi di sekitar lasan.
Prinsip pencegahan korosi secara umum ada di artikel cara mencegah korosi pada logam.
Pertanyaan yang Sering Diajukan
Apa itu duplex stainless steel? Duplex stainless steel adalah stainless steel dengan struktur campuran austenit dan ferit dalam jumlah kira-kira sama. Strukturnya membuat duplex sekitar dua kali lebih kuat daripada 304 dan 316 dan jauh lebih tahan terhadap retak korosi tegangan klorida.
Apakah duplex stainless steel magnetis? Ya. Karena sekitar separuh strukturnya ferit, duplex tertarik magnet. Ini bukan tanda kualitas rendah.
Apa perbedaan duplex 2205 dan 316? 2205 punya kekuatan luluh minimum sekitar 450 MPa, jauh di atas 316L (170 MPa), PREN lebih tinggi (sekitar 35 dibanding 24–25), dan jauh lebih tahan SCC klorida. 316 lebih mudah dilas dan dibentuk, dan bisa dipakai pada suhu tinggi dan kriogenik.
Apa itu super duplex? Super duplex adalah kelompok duplex dengan PREN minimal sekitar 40, misalnya 2507 (S32750) dan S32760. Kadar krom, molibdenum, dan nitrogennya lebih tinggi, sehingga cocok untuk air laut dan lingkungan klorida berat.
Bagaimana cara mengelas duplex 2205? Gunakan kawat ER2209 atau elektroda E2209, tanpa pemanasan awal, dengan masukan panas sedang dan suhu antar-lintasan maksimum sekitar 150 °C. Gas pelindung dengan sedikit nitrogen membantu menjaga keseimbangan ferit dan austenit. Bersihkan warna bekas las setelahnya.
Kesimpulan
Duplex stainless steel menggabungkan austenit dan ferit dalam satu bahan, sehingga kekuatannya sekitar dua kali stainless austenitik dan ketahanannya terhadap retak korosi tegangan klorida jauh lebih baik. Kelas 2205 adalah pilihan serba guna, lean duplex menggantikan 304 dan 316 untuk struktur, dan super duplex 2507 dipakai untuk air laut dan lingkungan berat. Kuncinya ada pada fabrikasi: jaga keseimbangan ferit saat mengelas, hindari kisaran suhu yang membentuk fasa sigma dan rapuh 475 °C, dan batasi suhu pakai sampai sekitar 315 °C.
Baca Juga
- Stainless Steel (Baja Tahan Karat): Pengertian, Jenis, Kelas, dan Perbedaan 304, 316, dan 201
- Perbedaan Stainless 304 dan 316 (dan 201): Komposisi, Ketahanan Karat, Harga, dan Cara Memilih
- Stress Corrosion Cracking (Korosi Retak Tegangan): Pengertian, Penyebab, Jenis, dan Cara Mencegahnya
- Korosi Sumuran
- Baja Cor (Steel Casting): Pengertian, Jenis, Standar, Proses, dan Bedanya dengan Besi Cor
Dagus R. Djuanda adalah insinyur metalurgi dengan pengalaman lebih dari 20 tahun di bidang rekayasa material, dengan keahlian khusus pada material magnetik. Magister rekayasa material magnetik, kandidat doktor teknik industri, dan insinyur di Kementerian Perindustrian Republik Indonesia. Pendiri METALURGIKA.COM.
